JP2010025089A

JP2010025089A - 空燃比センサの異常診断装置

Info

Publication number: JP2010025089A
Application number: JP2008191179A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Iwasaki; 靖志岩▲崎▼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: JP4985577B2

Abstract

【課題】空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置において、燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、モデルに対する入力ａと空燃比センサの出力ｃに基づき一次遅れ要素のパラメータを同定する。そして同定されたパラメータに基づき空燃比センサの所定の特性の異常を判定する。入出力間のむだ時間ｇに基づいて入出力の少なくとも一方を補正する。出力の分散値ｅと、出力の極値ｃｐ及びピーク値の少なくとも一方とを検出し、これらを所定の優先順位で適用してむだ時間の算出に用いる。
【選択図】図１４

Description

本発明は空燃比センサの異常診断装置に係り、特に、内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置に関する。

触媒を利用した排気ガス浄化システムを備える内燃機関では、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を有効に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に、排気ガスの特定成分の濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサを設け、その検出された空燃比を所定の目標空燃比に近づけるようフィードバック制御を実施している。

ところで、空燃比センサに劣化、故障等の異常を来すと、正確な空燃比フィードバック制御が実行できなくなり排ガスエミッションが悪化する。よって空燃比センサの異常を診断することが従来から行われている。特に、自動車に搭載されたエンジンの場合、排ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で空燃比センサの異常を検出することが各国法規等からも要請されている。

例えば特許文献１には、燃料噴射量を周期的に増減したときの空燃比センサ出力の軌跡長に基づいて空燃比センサの異常を検出する装置が開示されている。

特開２００５−３０３５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、空燃比センサ自体が正常なのか異常なのかは判別できるものの、空燃比センサの特性のうち、いずれが正常なのか異常なのかを判別することができない。即ち、空燃比センサには複数の特性が含まれているが、特許文献１に記載の技術だと、これら特性のうちのいずれが異常なのかまでは判別することができない。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断することができる空燃比センサの異常診断装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間に基づいて前記入力と前記出力の少なくとも一方を補正するむだ時間補正手段とを備え、
前記むだ時間補正手段は、前記出力の分散値と、前記出力の極値及びピーク値の少なくとも一方とを検出し、これら分散値と、極値及びピーク値の少なくとも一方とを所定の優先順位で適用して前記むだ時間の算出に用いる
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。

これによれば、単に空燃比センサの異常が判定されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が判定される。よって空燃比センサの複数の特性のうち、いずれが異常なのかを判別することができ、空燃比センサの異常診断をより緻密且つ詳細に実行することができる。また入力から出力までの間のむだ時間に基づいて入力と出力の少なくとも一方を補正するので、輸送遅れの影響を無くし、パラメータの同定精度を向上することが可能となる。特に、出力の分散値と、極値及びピーク値の少なくとも一方とが検出され、これらに基づいてむだ時間が算出されるが、このとき分散値と、極値及びピーク値の少なくとも一方との長所及び短所を考慮して、これらが所定の優先順位で適用される。これによりむだ時間算出精度ひいては診断精度を向上することが可能となる。

好ましくは、前記むだ時間補正手段は、前記分散値を第１優先で適用し、前記極値及びピーク値の少なくとも一方を第２優先で適用する。

好ましくは、前記むだ時間補正手段は、所定のしきい値を超える前記分散値が得られた場合に前記分散値を適用し、前記しきい値を超える前記分散値が得られなかった場合に前記極値及びピーク値の少なくとも一方を適用する。

好ましくは、前記むだ時間補正手段は、前記極値及びピーク値の両方を適用したとき、それぞれに対して算出されたむだ時間のうち大きい方を最終的なむだ時間とする。

本発明の他の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間に基づいて前記入力と前記出力の少なくとも一方を補正するむだ時間補正手段とを備え、
前記同定手段による同定のための出力データを取得する期間として、一の入力変化に対応するむだ時間の経過時から、その次の入力変化に対応するむだ時間の経過時までの期間を採用可能とした
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。

これによれば、仮にむだ時間が長くなった場合であっても、出力データを取得する期間を長くして数多くの出力データを取得することが可能となり、同定精度ひいては診断精度を向上することが可能となる。

本発明のさらなる他の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間に基づいて前記入力と前記出力の少なくとも一方を補正するむだ時間補正手段とを備え、
前記むだ時間補正手段は、前記出力の分散値又は極値に基づいて前記むだ時間を算出し、且つ、前記分散値又は極値がリーン方向及びリッチ方向のいずれの入力変化に対応した値かを識別して前記分散値又は極値を適用する
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。

仮にむだ時間が著しく長くなった場合、入力変化に対応した出力の分散値又は極値が正確に得られなくなることがあるが、この本発明のさらなる他の形態によれば、こうした場合にあっても入力変化に対応した出力の分散値又は極値を正確に得られることが可能となる。よって、むだ時間算出精度ひいては診断精度を向上することが可能となる。

本発明のさらなる他の形態によれば、
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間に基づいて前記入力と前記出力の少なくとも一方を補正するむだ時間補正手段とを備え、
前記むだ時間補正手段は、前記出力の分散値が所定のしきい値を超えたタイミングに基づいて前記むだ時間を算出し、且つ、前記しきい値を吸入空気量に応じて変更する
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置が提供される。

出力の分散値が所定のしきい値を超えたタイミングに基づいてむだ時間を算出する場合、吸入空気量に応じて分散値の大きさが変化し、当該タイミングが変化する。この本発明のさらなる他の形態によれば、吸入空気量に応じてしきい値を変更するので、吸入空気量に応じた適切なタイミングを得られ、むだ時間算出精度ひいては診断精度を向上することが可能となる。

好ましくは、前記一次遅れ要素におけるパラメータが少なくともゲインと時定数を含み、前記空燃比センサの所定の特性が少なくとも前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とを含む。

これにより、空燃比センサの代表的な特性である出力と応答性について個別に且つ同時に診断を行うことができ、より緻密で詳細な異常診断を実行することができる。

好ましくは、前記同定手段による同定の際に、入力をリッチ又はリーンに強制的に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段をさらに備える。

空燃比センサの所定の特性の異常を診断するには、入力を大きく変化させたときの出力の応答を観測するのが望ましく、前記アクティブ制御手段によればこのような大きな入力変化を実現できる。

本発明によれば、空燃比センサに含まれる個々の特性の異常を好適に診断することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は車両用多気筒エンジン（例えば４気筒エンジン、１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが気筒ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気集合通路をなす吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式スロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁Ｖｉの開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストン４で圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

一方、各気筒の排気ポートは気筒毎の枝管を介して排気集合通路をなす排気管６に接続されている。排気ポート、枝管及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６には、その上流側と下流側とに三元触媒からなる触媒１１，１９が取り付けられている。上流側触媒１１の前後の位置にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１７，１８、即ち触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８が設置されている。これら触媒前センサ及び触媒後センサ１７，１８は排気ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能で、その空燃比に比例した電流信号を出力する。他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、理論空燃比を境に出力電圧が急変する特性を持つ。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

触媒１１，１９は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。そしてこれに対応して、ＥＣＵ２０は、内燃機関の通常運転時、触媒１１，１９に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比に等しくなるように、空燃比を制御する（所謂ストイキ制御）。具体的にはＥＣＵ２０は、理論空燃比に等しい目標空燃比Ａ／Ｆｔを設定すると共に、燃焼室３内に流入する混合気の空燃比を目標空燃比Ａ／Ｆｔに一致させるような基本噴射量を算出する。そして、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比と目標空燃比Ａ／Ｆｔとの差に応じて基本噴射量をフィードバック補正し、この補正後の噴射量に応じた通電時間だけインジェクタ１２を通電（オン）する。この結果、触媒１１，１９に供給される排気ガスの空燃比は理論空燃比近傍に保たれ、触媒１１，１９において最大の浄化性能が発揮されるようになる。このようにＥＣＵ２０は、触媒前センサ１７によって検出される実際の空燃比が目標空燃比Ａ／Ｆｔに近づくように空燃比ないし燃料噴射量をフィードバック制御する。なお、触媒後センサ１８は、このような空燃比フィードバック制御における中心空燃比のズレを補正するために設けられている。

［空燃比センサ異常診断の基本的内容］
次に、本実施形態における空燃比センサの異常診断について説明する。本実施形態で診断対象となるのは上流触媒１１の上流側に設置された空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７である。

当該異常診断においては、インジェクタ１２から触媒前センサ１７までの系が一次遅れ要素によりモデル化され、このモデルに対する入力と、触媒前センサ１７の出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータが同定（推定）される。そして、この同定されたパラメータに基づき、触媒前センサ１７の所定の特性の異常が判定される。

入力として、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算された燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算された吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑ、即ち入力空燃比が用いられる。以下、入力ないし入力空燃比をｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ）。他方、触媒前センサ１７の出力としては、出力空燃比、即ち触媒前センサ１７の出力電圧Ｖｒから換算される触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが用いられる。以下、出力ないし出力空燃比をｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｆ）。入力空燃比ｕ（ｔ）をモデルに与えたときの出力空燃比ｙ（ｔ）の出方から、一次遅れ要素におけるパラメータを同定し、この同定されたパラメータに基づき触媒前センサ１７の所定の特性の異常が判定される。

図２に示すように、本実施形態では、パラメータ同定の際に、オープンループ制御により空燃比を強制的に振動させるアクティブ制御（同定用アクティブ制御）が実行される。このアクティブ制御では、目標空燃比Ａ／Ｆｔ即ち入力空燃比ｕ（ｔ）が、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリーン側及びリッチ側に同一振幅だけ振れるように、一定周期で振動させられる。振動の振幅は通常の空燃比制御のときより大きく、例えば空燃比で０．５などとされる。中心空燃比Ａ／Ｆｃは理論空燃比に等しくされる。

このアクティブ制御を実行する理由は、アクティブ制御がエンジンの定常運転時に実行されることから、各制御量及び各検出値が安定し、診断精度が向上するからである。また入力空燃比ｕ（ｔ）を敢えて大きく変化させたときの方がセンサの各特性（特に出力及び応答性）の良し悪しを好適に診断できるからである。しかしながら、通常の空燃比制御時に異常診断を実行するようにしてもよい。

図示されるように、入力空燃比ｕ（ｔ）はほぼステップ状の波形であり、これに対し出力空燃比ｙ（ｔ）は一次遅れを伴った波形となる。図中Ｌは、入力空燃比ｕ（ｔ）から出力空燃比ｙ（ｔ）までの輸送遅れに基づくむだ時間である。このむだ時間Ｌは、インジェクタ１２における燃料噴射時から、その燃料噴射による排気ガスが触媒前センサ１７に到達するまでの時間差に相当する。

簡単化のためこのむだ時間Ｌをゼロと仮定すると、一次遅れ要素はＧ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）で表される。ここで、ｋは触媒前センサ１７のゲインであり、Ｔは触媒前センサ１７の時定数を表す。ゲインｋは、触媒前センサ１７の特性のうち出力に関わる値であり、他方、時定数Ｔは、触媒前センサ１７の特性のうち応答性に関わる値である。図２において、出力空燃比ｙ（ｔ）を表す実線は触媒前センサ１７が正常な場合を示す。これに対し、触媒前センサ１７の出力特性に異常が生じると、ゲインｋが正常時より大きくなり、ａで示す如くセンサ出力が増大（拡大）するか、またはゲインｋが正常時より小さくなり、ｂで示す如くセンサ出力が減少（縮小）する。よって、同定されたゲインｋを所定値と比較することでセンサ出力の増大異常又は減少異常を特定することができる。他方、触媒前センサ１７の応答性に異常が生じると、殆どの場合、時定数Ｔが正常時より大きくなり、ｃで示す如くセンサ出力が遅れて出てくるようになる。よって、同定された時定数Ｔを所定値と比較することでセンサの応答性異常を特定することができる。

次に、ＥＣＵ２０によって実行されるこれらゲインｋ及び時定数Ｔの同定方法を説明する。

式（２０）は、今回のサンプル時刻ｔと前回のサンプル時刻ｔ−１とにおける値の関数であり、この式の意味するところは、今回値と前回値に基づいてｂ₁とｂ₂が、即ちＴとｋが毎回更新されていくことにほかならない。こうして、時定数Ｔとゲインｋは逐次最小自乗法により逐次同定されることになる。この逐次同定を行うやり方だと、サンプルデータを多数取得して一時記憶し、その上で同定を行うやり方よりも演算負荷を軽減できると共に、データを一時的に溜めるバッファの容量も減少できて、ＥＣＵ（特に自動車用ＥＣＵ）への実装に好適である。

ＥＣＵ２０により実行されるセンサ特性の異常判定方法は次の通りである。まず、同定された時定数Ｔが所定の時定数異常判定値Ｔｓより大きい場合、応答遅れが生じており、触媒前センサ１７は応答性異常であると判定される。他方、同定された時定数Ｔが時定数異常判定値Ｔｓ以下の場合、触媒前センサ１７は応答性に関して正常と判定される。

また、同定されたゲインｋが所定のゲイン増大異常判定値ｋｓ１より大きい場合、触媒前センサ１７は出力増大異常であると判定され、同定されたゲインｋがゲイン縮小異常判定値ｋｓ２（＜ｋｓ１）より小さい場合、触媒前センサ１７は出力減少異常であると判定される。同定されたゲインｋがゲイン縮小異常判定値ｋｓ２以上で且つゲイン増大異常判定値ｋｓ１以下の場合、触媒前センサ１７は出力に関して正常であると判定される。

このように本発明に係る異常診断によれば、単に空燃比センサ自体の異常が判定されるのではなく、空燃比センサの所定の特性の異常が判定される。そして、二つの同定パラメータＴ，ｋにより、応答性及び出力という二つのセンサ特性の異常が、とりわけ同時且つ個別に、判定される。よって空燃比センサの異常診断として極めて緻密で且つ好適なものを実現することが可能となる。

図３及び図４は、正常な触媒前センサ１７の場合と異常な触媒前センサ１７の場合とで時定数Ｔとゲインｋとを逐次最小自乗法により逐次同定した結果を示す。図３が正常な触媒前センサ１７の場合、図４が異常な触媒前センサ１７の場合である。図３（Ａ）及び図４（Ａ）は入力空燃比（破線）と出力空燃比（実線）との振動の様子を示す。

図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）は、アクティブ制御開始時からの時定数Ｔ（破線）とゲインｋ（実線）との推移を示す。時定数Ｔとゲインｋとはサンプル時刻毎に毎回更新されていき、次第に一定値に収束していく。アクティブ制御開始時（同定開始時）ｔ０から、それらの値がほぼ収束するような所定時間（例えば５秒）経過後の時点（判定時期）ｔ１で、時定数Ｔとゲインｋとが取得され、これら取得された時定数Ｔとゲインｋとが前記異常判定値Ｔｓ１，ｋｓ１，ｋｓ２と比較されて、応答性及び出力の異常判定がなされる。

異常な触媒前センサ１７として、正常な触媒前センサ１７に比べ応答性がほぼ同じで出力が１／２であるセンサを用いて試験を行ったところ、判定時期ｔ１での時定数Ｔについては、正常センサの場合０．１８、異常センサの場合０．１７とほぼ同等であった。他方、判定時期ｔ１でのゲインｋについては、正常センサの場合１、異常センサの場合０．５であった。これにより実際のセンサと同様の結果を得られることが確認された。

ところで、実際のエンジンには負荷変動などの様々な外乱があり、これらを適切に考慮しないと同定精度やロバスト性を向上することができない。このため、本実施形態に係る異常診断では、以下のような入出力データに対する種々の補正を行うこととしている。

図５は、モデルパラメータを同定するためのシステム全体のブロック図である。このようなシステムはＥＣＵ２０内に構築されている。同定部（同定手段）５０において前述のようなパラメータＴ，ｋの同定を行うため、入力算出部５２、バイアス補正部５４及びむだ時間補正部（むだ時間補正手段）５６が設けられる。なお、異常診断がアクティブ制御中に実施されることから、アクティブ制御フラグ出力部５８も設けられている。

入力算出部５２では入力空燃比ｕ（ｔ）の算出が行われる。入力空燃比ｕ（ｔ）は前述の例ではインジェクタ１２の通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算される吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑであった。しかしながらここでは、インジェクタ通電時間に基づいて計算される燃料噴射量Ｑが燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正され、その補正後の燃料噴射量Ｑ’を使用して入力空燃比ｕ（ｔ）が計算される。ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ’であり、結果的に入力空燃比ｕ（ｔ）が燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき補正される。

インジェクタ１２から燃料が噴射されると、そのうち大部分は筒内燃焼室３に吸入されるが、残りの部分は吸気ポートの内壁面に付着し燃焼室３に入らない。そこで、インジェクタ１２から噴射された燃料量をｆｉとし、全気筒分の燃料付着率をＲ（＜１）とすると、その噴射燃料量ｆｉのうち、吸気ポート壁面に付着する分はＲ・ｆｉ、燃焼室３に入る分は（１−Ｒ）・ｆｉで表される。

他方、吸気ポート壁面に付着した燃料のうち、一部は蒸発して次の吸気行程で燃焼室３内に入るが、残りは残留してそのまま付着し続ける。そこで、吸気ポート壁面に付着した燃料量をｆｗとし、全気筒分の燃料残留率をＰ（＜１）とすると、壁面付着燃料量ｆｗのうち、そのまま壁面に付着し続ける分はＰ・ｆｗ、燃焼室３に入る分は（１−Ｐ）・ｆｗで表される。

４サイクルエンジンの吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を１回ずつ終えて１サイクルとし（即ち、１サイクル＝７２０°クランク角）、今回のサイクルをｋｓ、次回のサイクルをｋｓ＋１とする。また、筒内燃焼室３に入る燃料量をｆｃとすると、次の関係が成り立つ。

式（２１）の意味するところは、次回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ＋１）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）の残留分Ｐ・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）の壁面付着分Ｒ・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。また、式（２２）の意味するところは、今回サイクルで燃焼室３内に流入する流入燃料量ｆｃ（ｋｓ）が、今回サイクルの壁面付着燃料量ｆｗ（ｋｓ）のうちの蒸発分（１−Ｐ）・ｆｗ（ｋｓ）と、今回サイクルの噴射燃料量ｆｉ（ｋｓ）のうち壁面付着しないで直接燃焼室３内に流入する分（１−Ｒ）・ｆｉ（ｋｓ）との和で表される、ということである。

こうして、入力空燃比ｕ（ｔ）の算出に際し、燃料噴射量Ｑ’の値として流入燃料量ｆｃの値が用いられる。この流入燃料量ｆｃは、燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づき、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算された燃料噴射量を補正したものにほかならない。よって、入力空燃比ｕ（ｔ）の算出に流入燃料量ｆｃの値を用いることにより、入力空燃比の値を実情に近いより正確な値とすることができ、パラメータの同定精度を向上することが可能になる。

なお、エンジン温度及び吸気温が高いほど、燃料の気化が促進されることから、燃料付着量は減少し、燃料蒸発量は増大する。従って燃料残留率Ｐ及び燃料付着率Ｒはエンジン温度（若しくは水温）及び吸気温の少なくとも一方の関数とするのが好ましい。ここで説明したような燃料の壁面付着量及び蒸発量に基づく補正を「燃料ダイナミクス補正」と称することとする。

図６には、燃料ダイナミクス補正のない場合（破線）とある場合（実線）とでアクティブ制御中の入力空燃比ｕ（ｔ）の変化の違いを調べた試験結果である。図中円内に示されるように、燃料ダイナミクス補正のある場合はない場合に比べ、入力空燃比ｕ（ｔ）が反転された直後に入力空燃比ｕ（ｔ）の波形が若干なまされる傾向にある。

次に、バイアス補正部５４で行われるバイアス補正について説明する。このバイアス補正部５４では、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間のバイアスを除去するように入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との両方がシフトされる。

入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とは、負荷変動、学習ズレ及びセンサ値ズレ等の要因に伴い、一方に対し他方がリーン側又はリッチ側にバイアスしてしまう（ズレてしまう）場合がある。図７はこのバイアスの様子を示す試験結果である。図中、ｕ（ｔ）ｃ及びｙ（ｔ）ｃはそれぞれ入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とをローパスフィルタを通した値、もしくはそれらの移動平均を示す。触媒前センサ１７で検出される空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）付近となるよう制御されていることから、触媒前センサ１７の検出値である出力空燃比ｙ（ｔ）は理論空燃比を中心に変動し、そのローパスフィルタを通した値もしくは移動平均ｙ（ｔ）ｃも理論空燃比付近に保たれる。これに対し、入力空燃比ｕ（ｔ）は、前述の理由から、図示例ではリーン側にバイアスしている。

かかるバイアス状態で同定を行うのは好ましくないことから、バイアスを除去するような補正が行われる。具体的には、図８に示すように、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）とのデータがローパスフィルタを通過され、もしくは移動平均を算出し、バイアス値ｕ（ｔ）ｃ、ｙ（ｔ）ｃが逐次的に算出される。そして、逐次的に、入力空燃比ｕ（ｔ）とそのバイアス値ｕ（ｔ）ｃとの差Δｕ（ｔ）（＝ｕ（ｔ）−ｕ（ｔ）ｃ）及び出力空燃比ｙ（ｔ）とそのバイアス値ｙ（ｔ）ｃとの差Δｙ（ｔ）（＝ｙ（ｔ）−ｙ（ｔ）ｃ）が算出され、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）がゼロ基準の値に置き換えられる。なお、これら差Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）をまとめてΔＡ／Ｆで表示する（図３（Ａ）及び図４（Ａ）においても同様）。

こうしてバイアスは除去され、バイアス除去後の入出力空燃比の値Δｕ（ｔ）、Δｙ（ｔ）は図９に示される如くゼロ基準の値に変更される。即ち、両者の変動の中心がゼロに合わせられ、負荷変動や学習ズレ等の影響を無くすことができる。これにより負荷変動や学習ズレ等に対するロバスト性を高めることができる。

なお、この例では入出力空燃比の両方を補正し、入出力空燃比の変動中心をゼロに合わせてバイアスを除去する方法を採用したが、これ以外の方法も採用できる。例えば、入力空燃比のみを補正し、その変動中心を出力空燃比の変動中心に合わせたり、その逆を行ったりすることができる。補正の対象は入出力空燃比の少なくともいずれか一方であればよい。

次に、むだ時間補正部５６について説明する。前述したように、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間には輸送遅れによるむだ時間Ｌが存在する。しかしながら、正確なモデルパラメータの同定を行うためには、このむだ時間Ｌを除去するような補正を行うのが好ましい。そこでこのような補正をむだ時間補正部５６で行うこととしている。具体的には、後述の方法でむだ時間Ｌが算出され、この算出されたむだ時間Ｌに基づいて入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）の少なくとも一方が補正される。特に本実施形態の場合、算出されたむだ時間Ｌ分だけ、入力空燃比ｕ（ｔ）が出力空燃比ｙ（ｔ）に近づくよう遅らせられる。

図１０には、むだ時間補正前の入力空燃比（破線）、むだ時間補正後の入力空燃比（実線）及び出力空燃比（一点鎖線）が示される。なお入力空燃比及び出力空燃比としてバイアス補正後の値が用いられる。むだ時間Ｌだけ入力空燃比が遅らせられると、入力空燃比の振動と出力空燃比の振動とが時間差無く同期するようになり、これによりモデルパラメータの同定精度を向上させることができる。

以下、むだ時間の算出方法を説明する。まず、アクティブ制御中の入力空燃比及び出力空燃比の分散値σが次式（２３）により逐次的に求められる。

ηは入力空燃比又は出力空燃比を意味し、η_avgは入力空燃比又は出力空燃比の今回（ｔ）時点におけるＭ回移動平均、即ち今回（ｔ）から（Ｍ−１）回前（ｔ−（Ｍ−１））までのデータの平均値である。Ｍは例えば５などとされる。入力空燃比又は出力空燃比の変化が大きいほどその分散値は大きくなる。

図１１はむだ時間補正に関する試験結果であり、正常センサの場合を示す。上段のグラフは、ａ：むだ時間補正前の入力空燃比、ｂ：むだ時間補正後の入力空燃比、ｃ：出力空燃比をそれぞれ示す。なおａ及びｂで示した入力空燃比は燃料ダイナミクス補正及びバイアス補正を実施した後の値であり、ｃで示した出力空燃比はバイアス補正を実施した後の値である。中段のグラフは、ｄ：ａで示したむだ時間補正前の入力空燃比の分散値、ｅ：ｃで示した出力空燃比の分散値をそれぞれ示す。下段のグラフにおいて、鋸歯状の波形ｆはむだ時間カウンタの値、高い位置にある横線ｇは後述のようにして算出されるむだ時間、低い位置にある横線ｈはむだ時間ｇを１／４になました値をそれぞれ示す。

図１２には図１１のａ，ｃ，ｄ，ｅのみが簡略化して示してある。この図１２から分かるように、入力空燃比及び出力空燃比の分散値ｄ，ｅは、入力空燃比ａ及び出力空燃比ｃが反転を開始するタイミングに合わせて瞬時的に立ち上がる。よってむだ時間の算出開始タイミングを、例えば入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れたタイミングとし、むだ時間の算出終了タイミングを、出力空燃比の分散値ｅが所定のしきい値ｅｐｓを超えたタイミングとし、これらタイミング同士の時間差をむだ時間ｇとして算出する。図１１を参照して、入力空燃比の分散値ピークｄｐが発生すると、その発生時からむだ時間カウンタｆが時間のカウントを開始する。そして、出力空燃比の分散値ｅがしきい値ｅｐｓを超えた時点で、カウントが停止され、そのカウント値がむだ時間ｇとして保持される。このむだ時間ｇは入力空燃比の反転毎に更新され、且つその反転毎に、なまし後のむだ時間ｈが計算されていく。なまし後のむだ時間ｈを計算する理由はノイズの影響を除去するためである。なまし後のむだ時間ｈの値はやがて一定値付近に収束するようになる。そこで、アクティブ制御の開始時から、なまし後のむだ時間ｈがほぼ一定値に収束するようになる所定時間経過後の時点で、なまし後のむだ時間ｈが取得され、その取得された値が最終的なむだ時間Ｌとして決定される。

ところで、図１１及び図１２により説明した以上の算出方法は正常センサの場合であるが、これに対し、ある程度劣化したセンサの場合だと、同様の方法を採用するのが困難な場合もある。即ち、図１３及び図１４に示される如く、例えば応答遅れが生じているセンサの場合だと、出力空燃比ｂの分散値ｅとしてしきい値ｅｐｓを超えるような十分大きな値を得ることができず、むだ時間の算出が行えない。

そこで、出力空燃比ｅの分散値を所定のしきい値ｅｐｓと比較し、図１１及び図１２に示すように、その分散値ｅがしきい値ｅｐｓを超えた場合は、前述のようにその超えた時点と、入力空燃比の分散値ピークｄｐが現れた時点との時間差を以てむだ時間ｇとする。他方、図１３及び図１４に示すように、出力空燃比の分散値ｅがしきい値ｅｐｓを超えない場合は、入出力空燃比ａ，ｃ自体の極値ａｐ，ｃｐ同士の時間差（ｃｐ−ａｐ）を以てむだ時間ｇとする。これにより劣化したセンサの場合でも正確にむだ時間を算出することができる。なお極値に代わってピーク値を用いることもできる。これら極値及びピーク値については後に説明する。

このむだ時間補正では、入力空燃比をむだ時間分だけ遅らせて出力空燃比とタイミングを一致させる補正を行ったが、これ以外の方法も採用できる。例えば、逐次同定を行わないやり方、例えばサンプルデータを多数取得して一時記憶し、その上で同定を行うやり方だと、出力空燃比をむだ時間分だけ早めて入力空燃比とタイミングを一致させたり、入力空燃比を遅らせ且つ出力空燃比を早めて両者のタイミングを一致させたりすることができる。補正の対象は入出力空燃比の少なくともいずれか一方であればよい。

また、むだ時間算出の開始タイミングは、前述の如き、入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れたタイミングに限られない。そもそも、入力空燃比ａ（具体的には目標空燃比Ａ／Ｆｔ）の切り替えないし反転はＥＣＵ自身が行うので、そのタイミングはＥＣＵ自身が把握している。また、目標空燃比Ａ／Ｆｔの切り替えから実際の燃料噴射量が切り替えられるまでのタイムラグは無視し得る程度である。よってＥＣＵ２０が入力空燃比ａを切り替えた時点、具体的には目標空燃比Ａ／Ｆｔを切り替えた時点或いは燃料噴射量を切り替えた時点を、むだ時間算出の開始タイミングとすることが可能である。ちなみに、入力空燃比ａの分散値ピークｄｐが現れるタイミングは、燃料噴射量が切り替えられるタイミングに一致している。

次に、上述の全ての補正を含む空燃比センサ異常診断の手順を図１５に基づいて説明する。まず、ステップＳ１０１では空燃比を強制的に振動させるアクティブ制御が実行され、ステップＳ１０２では、燃料ダイナミクス補正がなされた後の入力空燃比ｕ（ｔ）の値が算出され、ステップＳ１０３では、入出力空燃比の間のバイアスが無くなるように入力空燃比ｕ（ｔ）及び出力空燃比ｙ（ｔ）の値がシフト補正される。

続くステップＳ１０４ではむだ時間Ｌが算出され、ステップＳ１０５においてむだ時間Ｌが無くなるように、バイアス補正後の入力空燃比ｕ（ｔ）の値がむだ時間Ｌ分だけシフト補正される。次のステップＳ１０６では、ステップＳ１０５で得られたむだ時間補正後の入力空燃比ｕ（ｔ）と、ステップＳ１０３で得られたバイアス補正後の出力空燃比ｙ（ｔ）との関係から、モデルパラメータである時定数Ｔとゲインｋとが同定される。そして、ステップＳ１０７において、同定されたパラメータＴ，ｋと各異常判定値（時定数異常判定値Ｔｓ、ゲイン増大異常判定値ｋｓ１及びゲイン縮小異常判定値ｋｓ２）とが比較され、空燃比センサ（触媒前センサ１７）の応答性及び出力の正常・異常が判定される。

なお、上述の異常診断については種々の変形例が考えられる。例えば、燃料を燃焼室３に直接噴射する直噴式エンジンの場合、吸気通路壁面への燃料付着を考慮する必要がないので、燃料ダイナミクス補正は省略されることとなる。上記診断は所謂広域空燃比センサへの適用例であったが、触媒後センサ１８のような所謂Ｏ₂センサへの適用例も可能である。このようなＯ₂センサも含めて、広く、排気ガスの空燃比を検出するためのセンサを本発明にいう空燃比センサというものとする。上記診断では空燃比センサの特性のうち応答性及び出力という二つの特性の異常が診断されたが、これに限らず、一若しくは三以上の特性について異常を診断するものであってもよい。同様に、一次遅れ要素におけるパラメータとして時定数Ｔ及びゲインｋのいずれか一方のみ、或いは時定数Ｔ及びゲインｋに加えてさらに他のパラメータを同定してもよい。上記診断では一次遅れ要素における二つのパラメータＴ，ｋを同時に同定し、空燃比センサの二つの特性の異常を同時に判定しているが、これに限らず、少なくとも二つのパラメータの同定を時間差を以て行ってもよいし、また、少なくとも二つの特性の異常判定を時間差を以て行ってもよい。内燃機関の形式、種類、用途等は特に限定されない。

ところで、診断精度向上のためには、上記補正の一つであるむだ時間補正を適切に行ったり、パラメータ同定を適切に行うのが有効である。そこで以下にこれらについて説明する。

［第１の態様：むだ時間算出方法の適正化］
むだ時間補正におけるむだ時間算出方法として、分散値を利用する方法、極値を利用する方法及びピーク値を利用する方法があることは既に述べた通りである。図１６〜図１８はそれぞれ分散値利用法、極値利用法及びピーク値利用法の様子を描いた概略図である。

図１６に示すように、分散値利用法では、所定の開始タイミングからむだ時間の算出（即ちむだ時間カウンタのカウントアップ）が開始され、この開始時点から、図中点で示されるようなＭ個（本実施形態ではＭ＝５）の出力空燃比ｙ（ｔ）のデータを用いて、分散値ｅが逐次的に算出される。そしてこの分散値がしきい値ｅｐｓを超えたタイミングでむだ時間の算出が終了され、両タイミングの時間差がむだ時間Ｌとして算出される。なお前述のように、算出開始タイミングは、入力空燃比の分散値ピークが現れたタイミング又はＥＣＵ２０が入力空燃比を切り替えたタイミングとすることができる。

また図１７に示すように、極値利用法では、所定の開始タイミングからむだ時間の算出が開始され、この開始時点から、図中点で示されるようなＮ個（本実施形態ではＮ＝３）の出力空燃比ｙ（ｔ）のデータを用いて、出力空燃比ｙ（ｔ）の極値が算出される。出力空燃比の今回値ないし現在値をｙ（ｔ）、前回値をｙ（ｔ−１）、前々回値をｙ（ｔ−２）で表す。前回値ｙ（ｔ−１）が前々回値ｙ（ｔ−２）及び現在値ｙ（ｔ）より小さいとき、前回値ｙ（ｔ−１）が小さい方の極値、即ち極小値をなす。また前回値ｙ（ｔ−１）が前々回値ｙ（ｔ−２）及び現在値ｙ（ｔ）より大きいとき、前回値ｙ（ｔ−１）が大きい方の極値、即ち極大値をなす。極小値及び極大値のいずれかが現れた時、その時のタイミングがむだ時間の算出終了タイミングとされる。結局、算出開始タイミングから、極小値又は極大値が検出されたタイミングまでの時間がむだ時間Ｌとされる。

また図１８に示すように、ピーク値利用法では、所定の開始タイミングからむだ時間の算出が開始され、この開始時点から、サンプル時刻毎に、最小値（小さい方のピーク値）又は最大値（大きい方のピーク値）が更新される。入力空燃比ｕ（ｔ）が例えばリッチ側からリーン側に切り替えられたとき、その時以降、サンプル時刻毎に出力空燃比の最小値が更新され、今回値ｙ（ｔ）が最新の最小値より所定値以上大きくなった時点で、最新の最小値が現れたタイミングをむだ時間の算出終了タイミングとする。逆に、入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン側からリッチ側に切り替えられたときには、その時以降、サンプル時刻毎に出力空燃比の最大値が更新され、今回値ｙ（ｔ）が最新の最大値より所定値以上小さくなった時点で、最新の最大値が現れたタイミングをむだ時間の算出終了タイミングとする。結局、算出開始タイミングから、最小値又は最大値が検出されたタイミングまでの時間がむだ時間Ｌとされる。

ところで、これら三つの方法にはそれぞれ長所と短所がある。まず分散値利用法は、応答が遅くなったり出力が低下してきた劣化度の高いセンサの場合だと、先に述べたように、しきい値ｅｐｓを超えるような十分大きな分散値が得られず、むだ時間が算出できなくなることがあるという短所がある。他方、応答が早く出力も高い劣化度の低いセンサの場合だと、ノイズがあった場合でもその影響を受けづらく、むだ時間を正確に算出できるという長所がある。

一方、極値利用法及びピーク値利用法は、劣化度の低いセンサの場合にノイズの影響を大きく受けてしまって正確なむだ時間を算出し難いという短所がある。他方、劣化度の高いセンサの場合だと、先に述べたように、極値及びピーク値を確実に得られ、むだ時間を算出できるという長所がある。

このように、分散値利用法と、極値利用法及びピーク値利用法とには、互いに相反する長所と短所がある。そこでこの第１の態様では、分散値と、極値及びピーク値の少なくとも一方とを検出し、これら分散値と、極値及びピーク値の少なくとも一方とを所定の優先順位で適用してむだ時間の算出に用いることとしている。ここで、極値利用法及びピーク値利用法の長所と短所は同様であるから、極値及びピーク値の少なくとも一方を検出、適用すればよいが、本実施形態では精度向上の観点から両方を検出、適用する。勿論、極値及びピーク値のいずれか一方を検出、適用するようにしてもよい。このように三者を所定の優先順位で適用して使用することにより、むだ時間算出精度の向上を図れる。

本実施形態では、分散値を第１優先で適用し、極値及びピーク値を第２優先で適用する。即ち、センサの劣化度が低く、しきい値を超える分散値が得られるときは、ノイズの影響を受けづらい分散値を適用し、むだ時間算出精度向上を図る。そしてセンサの劣化度が高くなり、しきい値を超える分散値が得られなくなったときは、極値及びピーク値を適用し、むだ時間を確実に算出できるようにする。

また本実施形態では、極値及びピーク値の両方を適用したとき、それぞれに対して算出されたむだ時間のうち大きい方を最終的なむだ時間とする。即ち本実施形態では、三つの方法のいずれかで算出されたむだ時間が異常なほどに大きくなっているとき、即ち所定のむだ時間異常判定値を超えたとき、むだ時間異常として判定するようにしている。このとき、異常なむだ時間を正常と誤判定するのを確実に防止する観点から、大きい方のむだ時間を最終的なむだ時間としている。

さらに本実施形態では、極値及びピーク値の両方を適用したときであっても、実際上いずれか一方しか検出できなかったときには、その検出できた一方をむだ時間算出に用いる。かかる場合は、例えば、応答遅れや出力低下が著しい劣化センサの場合に起こる可能性がある。その理由はセンサ出力の反転開始時付近で出力波形が急峻に変化せず、その変化が著しく緩慢となり、極値及びピーク値が得難くなるからである。

加えて、本実施形態では、分散値、極値及びピーク値のいずれによってもむだ時間が算出できなかったとき、所定のガード値を最終的なむだ時間とする。このガード値としてはむだ時間異常判定値より大きい値が設定されており、よってガード値がむだ時間として算出された場合には即座にむだ時間異常と判定される。これにより明らかなむだ時間異常を即座に検出することができる。なおかかる状況としては、例えば、アクティブ制御により入力空燃比を切り替えているのに触媒前センサ１７の出力が全く変化しなかったり、断線等で触媒前センサ１７の出力がＥＣＵ２０に全く送られないような場合に起こり得る。

図１９に本態様に係るむだ時間算出のロジックを示す。ＥＣＵ２０は図示されたフローチャートに従って、入力空燃比の切替毎に、分散値、極値、ピーク値及びガード値を選択的に適用し、むだ時間を算出する。

まずステップＳ２０１では、しきい値を超える分散値が検出できたか否かが判断される。イエスの場合、ステップＳ２０２において当該分散値に基づきむだ時間が算出される。他方、ノーの場合、ステップＳ２０３において、極値及びピーク値の両方を検出できたか否かが判断される。イエスの場合、ステップＳ２０４において極値及びピーク値の両方に基づきむだ時間が算出され、ステップＳ２０５において、そのうち大きい方のむだ時間が最終的なむだ時間とされる。

他方、ステップＳ２０３の判断結果がノーの場合、ステップＳ２０６において、極値及びピーク値の一方を検出できたか否かが判断される。イエスの場合、ステップＳ２０７においてその検出できた一方に基づきむだ時間が算出される。他方、ノーの場合、ステップＳ２０８において所定のガード値が最終的なむだ時間とされる。

［第２の態様：出力データ取得期間の適正化］
次に、診断精度向上のための第２の態様である出力データ取得期間の適正化について説明する。図２０は、入力空燃比ｕ（ｔ）の変化（実線）とこれに対応する出力空燃比ｙ（ｔ）の変化（破線）とを示している。基本例は次の通りである。入力空燃比ｕ（ｔ）が例えば時刻ｔ１でリーンからリッチに切り替えられた場合、時刻ｔ１からむだ時間Ｌ１経過後の時刻ｔ２から、次に入力空燃比ｕ（ｔ）が反転される（即ちリッチからリーンに切り替えられる）時刻ｔ３までの期間Ｅ１が、出力空燃比ｙ（ｔ）のデータの取得期間である。当該期間Ｅ１中に取得されたデータが同定に用いられる。入力空燃比ｕ（ｔ）が時刻ｔ３でリッチからリーンに切り替えられた場合にも同様に、時刻ｔ３からむだ時間Ｌ３経過後の時刻ｔ４から、次に入力空燃比ｕ（ｔ）が反転される時刻ｔ５までの期間Ｅ３が出力空燃比データ取得期間である。

しかしこの基本例だと、例えば図中一点鎖線ｘで示すように、むだ時間が非常に大きくなった場合やむだ時間が異常である場合に、期間Ｅ１（或いはＥ３）中に得られる出力空燃比ｙ（ｔ）のデータ数が極端に少なくなり、正しいゲイン及び時定数の同定が実施できなくなる可能性がある。

そこで本態様では、基本例の期間Ｅ１，Ｅ３を図示するような期間Ｅ１’，Ｅ３’まで延長した期間を採用可能とする。以下、基本例の期間Ｅ１，Ｅ３を基本期間と称し、延長された期間Ｅ１’，Ｅ３’を延長期間と称す。例えば延長期間Ｅ１’は、入力空燃比ｕ（ｔ）がリーンからリッチに切り替えられた時刻ｔ１からむだ時間Ｌ１経過後の時刻ｔ２から、次に入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチからリーンに切り替えられた時刻ｔ３からむだ時間Ｌ３経過後の時刻ｔ４までの期間である。こうすると、基本例よりも出力空燃比データ取得期間がＬ３だけ延長され（Ｅ１’＝Ｅ１＋Ｌ３）、この延長分だけ出力空燃比ｙ（ｔ）のデータ数が増加する。よってむだ時間が非常に大きくなった場合やむだ時間が異常である場合でも、正しいゲイン及び時定数の同定が可能となる。入力空燃比ｕ（ｔ）をリッチからリーンに切り替えたときの延長期間Ｅ３’についても同様のことが言える。この場合、基本例よりも出力空燃比データ取得期間がＬ５だけ延長される（Ｅ３’＝Ｅ３＋Ｌ５）。

延長期間の採用の仕方としては、例えば、常に延長期間を採用する方法がある。これを図２０の例で説明する。例えば時刻ｔ１でアクティブ制御が開始され、入力空燃比ｕ（ｔ）がリッチに切り替えられたとする。するとむだ時間Ｌ１経過後の時刻ｔ２から延長期間Ｅ１’が開始し、出力空燃比データが取得される。時刻ｔ３で入力空燃比ｕ（ｔ）がリーンに切り替えられても、出力空燃比データの取得は続行され、他方、時刻ｔ３からむだ時間Ｌ３の計測が開始される。その後時刻ｔ４でむだ時間Ｌ３が確定した時点で、入力空燃比のリッチへの切り替えに対応した出力空燃比データの取得が終了し、延長期間Ｅ１’が終了する。またこれと同時に、入力空燃比のリーンへの切り替えに対応した出力空燃比データの取得が開始し、延長期間Ｅ３’が開始する。入力空燃比を切り替える度にこれらを繰り返すことで、延長期間が常に採用されることとなる。

代替的に、検出されたむだ時間に応じて基本期間と延長期間を選択して採用する方法もある。具体的には、むだ時間が所定値以下のときには基本期間を採用し、むだ時間が所定値より大きくなったときには延長期間を採用する。むだ時間が大きくなったときのみ出力空燃比データ数が少なくなり、ゲイン及び時定数の同定に悪問題を及ぼすことから、むだ時間が大きくなったときのみ延長期間を採用することも非常に有効である。この場合、所定値より大きいむだ時間が検出される毎に、このむだ時間直後の期間を延長期間とするのが好ましい。或いは、あるトリップで１回ないし所定回、所定値より大きいむだ時間が検出されたならば、次のトリップ以降で延長期間を採用するようにしてもよい。ここでトリップとは、エンジンの１回の始動から停止までの期間をいう。あるトリップで所定値より大きいむだ時間が検出されたときは、次回以降のトリップでも所定値より大きいむだ時間が検出される可能性が高いことから、このようにすることも効果的である。

［第３の態様：むだ時間算出方法の適正化］
次に、診断精度向上のための第３の態様であるむだ時間算出方法の適正化について説明する。前述の式（２３）から明らかなように、分散値は常に正の値となる。そしてこのことに起因して次のような問題点があることが判明した。

図２１において、（Ａ）は、入力空燃比ｕ（ｔ）の変化（実線）とこれに対応する出力空燃比ｙ（ｔ），ｙ（ｔ）’の変化（破線及び一点鎖線）を示している。ここでｙ（ｔ）は正常センサの場合を示し、ｙ（ｔ）’は、アクティブ制御の半周期以上にむだ時間が長期化し、センサの応答開始が遅れている場合を示す。ここでアクティブ制御の半周期とは入力空燃比ｕ（ｔ）がリーン又はリッチに切り替えられた時から入力空燃比ｕ（ｔ）が逆方向に切り替えられた時までの期間をいう。

正常センサの場合、（Ｂ）から分かるように、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替１，２，３に対応して、アクティブ制御の半周期より短い通常のタイミングで分散値１，２，３が立ち上がっており、これにより通常のむだ時間が算出できる。

ところが、むだ時間が半周期以上長期化している場合だと、（Ｃ）から分かるように、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替１に対応した分散値１が、入力空燃比ｕ（ｔ）の次の切替２（切替１と逆方向である）の後に立ち上がり、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替２に対応した分散値２が、入力空燃比ｕ（ｔ）の次の切替３（切替２と逆方向である）の後に立ち上がるようになる。こうなると、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替２の後に立ち上がった分散値１を、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替２に対応した分散値と誤って判断してしまい、真のむだ時間より極端に短い誤ったむだ時間を算出してしまう。

そこでこの対策として、本態様では、分散値がリーン方向及びリッチ方向のいずれの入力変化に対応した値かを識別して分散値を適用する。ここでリーン方向とはリッチからリーンに変化する方向をいい、リッチ方向とはリーンからリッチに変化する方向をいう。かかる識別を行うことにより、むだ時間がアクティブ制御の半周期以上長期化している場合でも、入力空燃比ｕ（ｔ）の変化に対応した分散値が確実に得られ、むだ時間算出精度を高めることが可能となる。

具体的には、次式（２４）により出力空燃比の分散値σ_yを求め、且つ、出力空燃比の今回値ｙ（ｔ）及び移動平均値ｙ_avg（ｔ）に基づき、当該分散値σ_yの方向を特定する。

出力空燃比の今回値ｙ（ｔ）と移動平均値ｙ_avg（ｔ）との差Ｄｙ＝ｙ（ｔ）−ｙ_avg（ｔ）が正のとき、求められた分散値σ_yはリーン方向の分散値と特定する。また差Ｄｙが負のとき、求められた分散値σ_yはリッチ方向の分散値と特定する。そして、しきい値より大きな分散値σ_yが得られた時点で、差Ｄｙに基づき分散値σ_yの方向を特定し、それがリーン方向の分散値であれば、直前のリーン方向の入力空燃比ｕ（ｔ）の切替に対応した値であるとして、その入力空燃比切替時から、分散値σ_yがしきい値を超えた時点までの時間をむだ時間とする。また分散値σ_yがリッチ方向の値であれば、これは直前のリッチ方向の入力空燃比ｕ（ｔ）の切替に対応した値であるとして、その入力空燃比切替時から分散値σ_yがしきい値を超えた時点までの時間をむだ時間とする。

こうした方向付けは、極値に基づくむだ時間の算出でも可能である。先にも述べたように、前回値ｙ（ｔ−１）が前々回値ｙ（ｔ−２）及び現在値ｙ（ｔ）より小さいとき、即ちｙ（ｔ−１）＜ｙ（ｔ−２）且つｙ（ｔ−１）＜ｙ（ｔ）のとき、前回値ｙ（ｔ−１）は極小値即ちリーン方向の極値である。よって直前のリーン方向の入力空燃比ｕ（ｔ）の切替時から前回値ｙ（ｔ−１）が得られた時点までの時間を、リーン方向の入力空燃比ｕ（ｔ）の切替に対応したむだ時間とする。また、前回値ｙ（ｔ−１）が前々回値ｙ（ｔ−２）及び現在値ｙ（ｔ）より大きいとき、即ちｙ（ｔ−１）＞ｙ（ｔ−２）且つｙ（ｔ−１）＞ｙ（ｔ）のとき、前回値ｙ（ｔ−１）は極大値即ちリッチ方向の極値である。よって直前のリッチ方向の入力空燃比ｕ（ｔ）の切替時から前回値ｙ（ｔ−１）が得られた時点までの時間を、リッチ方向の入力空燃比ｕ（ｔ）の切替に対応したむだ時間とする。

［第４の態様：むだ時間算出方法の適正化］
次に、診断精度向上のための第４の態様であるむだ時間算出方法の適正化について説明する。前述の分散値利用法では、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替時から、出力空燃比ｙ（ｔ）の分散値がしきい値ｅｐｓを超えたタイミングまでの時間がむだ時間として算出される。

ところで、触媒前センサ１７の出力Ｖｆは、吸入空気量が少ないほど、即ち排気ガス流量が少ないほど変化速度が緩やかになり、吸入空気量が多いほど、即ち排気ガス流量が多いほど変化速度が急になる傾向がある。よって、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替に対応する出力空燃比ｙ（ｔ）の分散値も、吸入空気量に応じて変化し、これがむだ時間算出精度を悪化させる原因になることが判明した。

図２２及び図２３はそれぞれ同一の触媒前センサ１７に対して吸入空気量が少ない場合と多い場合を示す。図２２に示すように、吸入空気量が少ない場合、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替に対応する出力空燃比ｙ（ｔ）の分散値の立ち上がりが少なくなり、場合によっては図示の如くしきい値ｅｐｓに達せず、むだ時間を正確に算出できない場合がある。他方、図２３に示すように、吸入空気量が多い場合、入力空燃比ｕ（ｔ）の切替に対応する出力空燃比ｙ（ｔ）の分散値の立ち上がりが多くなり、しきい値ｅｐｓに達するタイミングが早まって本来より短いむだ時間を算出してしまう場合がある。なお吸入空気量が多い場合、触媒前センサ１７の出力Ｖｆにノイズも多く重畳するようになり、この影響でもむだ時間算出精度が悪化する。

そこで本態様では、吸入空気量に応じてしきい値ｅｐｓを変更する。こうすることにより吸入空気量の大小に応じたむだ時間の算出誤差等を解消し、むだ時間算出精度を向上することが可能となる。

具体的には、ＥＣＵ２０が、エアフローメータ５により検出された吸入空気量Ｇａに基づき、図２４に示すような所定のマップ（関数でもよい）に従い、しきい値ｅｐｓを算出する。このとき、吸入空気量が多いほど大きなしきい値ｅｐｓが算出される。そしてこの算出されたしきい値ｅｐｓを実際の分散値と比較して後者が前者を超えたタイミングを定める。これにより適切なタイミングを得て、正確なむだ時間を算出することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、前記実施形態では一次遅れモデルにおける同定手法として逐次最小自乗法を用いたが、他にも様々な同定手法が採用可能であり、例えばカルマンフィルタ法等が採用可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。アクティブ制御時における入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を概略的に示す図である。ゲイン及び時定数を同定した結果を示すグラフであり、正常センサの場合である。ゲイン及び時定数を同定した結果を示すグラフであり、異常センサの場合である。異常診断システムのブロック図である。燃料ダイナミクス補正のある場合とない場合とで入力空燃比を比較した試験結果である。入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正前の状態である。バイアス補正の方法を説明するための概略図である。入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を示す試験結果であり、バイアス補正後の状態である。むだ時間補正前後の入力空燃比を示す試験結果である。むだ時間算出方法を説明するための試験結果であり、正常センサの場合である。むだ時間算出方法を説明するための図１１に対応した概略図である。むだ時間算出方法を説明するための試験結果であり、異常センサの場合である。むだ時間算出方法を説明するための図１４に対応した概略図である。空燃比センサ異常診断の手順を概略的に示すフローチャートである。分散値利用法を説明するための概略図である。極値利用法を説明するための概略図である。ピーク値利用法を説明するための概略図である。第１の態様に係るむだ時間算出ロジックを示すフローチャートである。第２の態様を説明するための概略図である。第３の態様に関する問題点を説明するための概略図である。第４の態様に関し、吸入空気量が少ない場合の概略図である。第４の態様に関し、吸入空気量が多い場合の概略図である。分散値のしきい値を算出するためのマップである。

符号の説明

１内燃機関
３燃焼室
６排気管
１１上流触媒
１２インジェクタ
１４排気マニフォールド
１７触媒前センサ
１８触媒後センサ
２０電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ｕ（ｔ）入力空燃比
ｙ（ｔ）出力空燃比
ｋゲイン
Ｔ時定数
Ｌむだ時間

Claims

内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間に基づいて前記入力と前記出力の少なくとも一方を補正するむだ時間補正手段とを備え、
前記むだ時間補正手段は、前記出力の分散値と、前記出力の極値及びピーク値の少なくとも一方とを検出し、これら分散値と、極値及びピーク値の少なくとも一方とを所定の優先順位で適用して前記むだ時間の算出に用いる
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
前記むだ時間補正手段は、前記分散値を第１優先で適用し、前記極値及びピーク値の少なくとも一方を第２優先で適用する
ことを特徴とする請求項１記載の空燃比センサの異常診断装置。
前記むだ時間補正手段は、所定のしきい値を超える前記分散値が得られた場合に前記分散値を適用し、前記しきい値を超える前記分散値が得られなかった場合に前記極値及びピーク値の少なくとも一方を適用する
ことを特徴とする請求項２記載の空燃比センサの異常診断装置。
前記むだ時間補正手段は、前記極値及びピーク値の両方を適用したとき、それぞれに対して算出されたむだ時間のうち大きい方を最終的なむだ時間とする
ことを特徴とする請求項３記載の空燃比センサの異常診断装置。
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間に基づいて前記入力と前記出力の少なくとも一方を補正するむだ時間補正手段とを備え、
前記同定手段による同定のための出力データを取得する期間として、一の入力変化に対応するむだ時間の経過時から、その次の入力変化に対応するむだ時間の経過時までの期間を採用可能とした
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間に基づいて前記入力と前記出力の少なくとも一方を補正するむだ時間補正手段とを備え、
前記むだ時間補正手段は、前記出力の分散値又は極値に基づいて前記むだ時間を算出し、且つ、前記分散値又は極値がリーン方向及びリッチ方向のいずれの入力変化に対応した値かを識別して前記分散値又は極値を適用する
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサの異常診断装置であって、
燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する入力と、前記空燃比センサの出力とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータを同定する同定手段と、
前記同定手段により同定されたパラメータに基づき、前記空燃比センサの所定の特性の異常を判定する異常判定手段と、
前記入力から前記出力までの間のむだ時間を算出し、該むだ時間に基づいて前記入力と前記出力の少なくとも一方を補正するむだ時間補正手段とを備え、
前記むだ時間補正手段は、前記出力の分散値が所定のしきい値を超えたタイミングに基づいて前記むだ時間を算出し、且つ、前記しきい値を吸入空気量に応じて変更する
ことを特徴とする空燃比センサの異常診断装置。
前記一次遅れ要素におけるパラメータが少なくともゲインと時定数を含み、前記空燃比センサの所定の特性が少なくとも前記ゲインに対応した出力と前記時定数に対応した応答性とを含む
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。
前記同定手段による同定の際に、入力をリッチ又はリーンに強制的に切り替えるアクティブ制御を実行するアクティブ制御手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の空燃比センサの異常診断装置。